DE102009053406A1 - Method for the spatially resolved enlargement of nanoparticles on a substrate surface - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft Verfahren zur räumlich aufgelösten Vergrößerung und größenmäßigen Feineinstellung von Edelmetall-Nanopartikeln auf einer Substratoberfläche sowie die so hergestellten Nanopartikel-Anordnungen und nanostrukturierten Substratoberflächen und deren Verwendung. Die vorliegende Erfindung betrifft speziell ein Verfahren zur räumlich aufgelösten Vergrößerung von Edelmetall-Nanopartikeln, die auf einem Substrat vorliegen, welches die folgenden Schritte umfasst: a) Bereitstellung eines mit Edelmetall-Nanopartikeln beschichteten Substrats, b) gegebenenfalls Funktionalisierung des Substrats mit einem Agens, welches die Haftung der Edelmetall-Nanopartikel an dem Substrat unterstützt, c) Kontaktierung des Substrats mit einer Edelmetallsalzlösung, d) UV-Bestrahlung des Substrats in Kontakt mit der Edelmetallsalzlösung, wodurch eine Reduktion des Edelmetallsalzes und eine stromlose Abscheidung von elementarem Edelmetall auf den Edelmetall-Nanopartikeln und entsprechendes Wachstum der Edelmetall-Nanopartikel in den bestrahlten Bereichen des Substrats veranlasst wird, und e) gegebenenfalls Verwendung einer Maske, um ein lokalisiertes Wachstum der Edelmetall-Nanopartikel in vorbestimmten Bereichen des Substrats zu veranlassen.The invention relates to methods for spatially resolved magnification and size fine adjustment of precious metal nanoparticles on a substrate surface and the nanoparticle assemblies and nanostructured substrate surfaces thus prepared and their use. Specifically, the present invention relates to a method of spatially resolved magnification of noble metal nanoparticles present on a substrate comprising the steps of: a) providing a substrate coated with noble metal nanoparticles, b) optionally functionalizing the substrate with an agent which c) contacting the substrate with a noble metal salt solution, d) UV irradiation of the substrate in contact with the noble metal salt solution, thereby reducing the noble metal salt and electroless deposition of elemental noble metal on the noble metal nanoparticles and causing appropriate growth of the noble metal nanoparticles in the irradiated areas of the substrate, and e) optionally using a mask to cause localized growth of the noble metal nanoparticles in predetermined areas of the substrate.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft Verfahren zur räumlich aufgelösten Vergrößerung und größenmäßigen Feineinstellung von Edelmetall-Nanopartikeln auf einer Substratoberfläche sowie die so hergestellten Nanopartikel-Anordnungen und nanostrukturierten Substratoberflächen und deren Verwendung.The present invention relates to methods for spatially resolved magnification and size fine tuning of noble metal nanoparticles on a substrate surface, and to the nanoparticle assemblies and nanostructured substrate surfaces so prepared and their use.
In den letzten Jahren haben Nanostrukturen, insbesondere geordnete Strukturen von Edelmetall-Nanopartikeln auf Substratoberflächen, großes Interesse für eine Vielzahl von Anwendungen auf unterschiedlichen Gebieten gefunden. Beispielsweise können Gold-Nanopartikel in biochemischen Sensoren eingesetzt (
Für viele dieser Anwendungen wäre es sehr wünschenswert, die Größe dieser Nanopartikel lokal und im Nanometermaßstab auf makroskopischen Substraten möglichst präzise einstellen zu können. Beispielsweise könnten an größere Nanopartikel mehr Linkermoleküle und damit auch mehr gewünschte Targetmoleküle gebunden werden und diese Kapazität zur Herstellung von Konzentrationsgradienten eines gegebenen Antigens auf einem Substrat genutzt werden. So könnten z. B. auf einfache Weise konzentrations-sensitive Biochips hergestellt werden. Auch für die obengenannte Verwendung als Ätzmasken wäre eine Feineinstellung der Partikelgröße mit hoher räumlicher Auflösung sehr vorteilhaft. Eine solche Feineinstellung würde beispielsweise die Herstellung komplexer nano-optischer Elemente wie Fresnel-Linsen und Zonenplatten ermöglichen. Geordnete Areale von Edelmetall-Nanopartikeln mit vorgegebenen Durchmessern könnten auch vorteilhaft in neuen Transistoren (
Die Größe von Edelmetall-Nanopartikeln, insbesondere Gold-Nanopartikeln, kann grundsätzlich vor dem Aufbringen auf die Substratoberfläche, z. B. bei Verwendung von. Metallkolloiden (
In der deutschen Patentanmeldung
Diese Verfahren sind jedoch noch nicht völlig zufriedenstellend und für alle Anwendungen geeignet, da es schwierig ist, mehrere Bereiche mit stark unterschiedlichen mittleren Durchmessern der Nanopartikel und hoher räumlicher Auflösung nebeneinander zu erzeugen.However, these methods are not yet completely satisfactory and suitable for all applications, since it is difficult to produce several regions with widely differing average diameters of the nanoparticles and high spatial resolution side by side.
Eine Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung war somit die Bereitstellung von verbesserten Verfahren zur räumlich aufgelösten Vergrößerung und größenmäßigen Feineinstellung von Edelmetall-Nanopartikeln auf einer Substratoberfläche, mit denen auch sehr scharfe Partikelgrößengradienten oder Nanopartikelanordnungen, die mehrere Bereiche mit stark unterschiedlichen mittleren Durchmessern der Nanopartikel und hoher räumlicher Auflösung nebeneinander enthalten, auf einfache und effiziente Weise hergestellt werden können. Eine damit in Zusammenhang stehende Aufgabe war die Bereitstellung der entsprechenden Nanopartikelanordnungen und nanostrukturierten Substratoberflächen. Eine weitere Aufgabe war die Bereitstellung der erfindungsgemäß hergestellten Nanopartikelanordnungen und nanostrukturierten Substratoberflächen für verschiedene Verwendungen, die bisher aufgrund der nicht oder in nicht ausreichendem Umfang möglichen größenmäßigen Feinstellung von Edelmetall-Nanopartikeln auf einer Substratoberfläche für solche Edelmetall-Nanopartikelanordnungen nicht in Frage kamen.It has thus been a primary object of the present invention to provide improved methods of spatially resolved magnification and size fine tuning of noble metal nanoparticles on a substrate surface, which may involve very sharp particle size gradients or nanoparticle arrays comprising multiple regions of widely differing nanoparticle mean diameters and high spatial resolution juxtaposed, can be made in a simple and efficient way. A related task was to provide the appropriate nanoparticle assemblies and nanostructured substrate surfaces. A further object was the provision of the nanoparticle arrangements and nanostructured substrate surfaces produced according to the invention for various uses which hitherto were out of the question for such noble metal nanoparticle arrangements owing to the inadequate or inappropriately possible quantitative precision of noble metal nanoparticles on a substrate surface.
Erfindungsgemäß wurde nun festgestellt, dass die oben genannte Hauptaufgabe gelöst werden kann durch Bereitstellung des Verfahrens nach Anspruch 1, bei dem ein mit (vorzugsweise fixierten) Edelmetall-Nanopartikeln beschichtetes Substrat mit einer Edelmetallsalzlösung kontaktiert wird und durch UV-Bestrahlung von bestimmten vorgegebenen Bereichen eine lokalisierte und kontrollierte Vergrößerung der Nanopartikel in diesen Bereichen veranlasst wird. Die obengenannten weiteren Aufgaben werden durch Bereitstellung der Nanopartikelanordnungen und nanostrukturierten Substratoberflächen nach den Ansprüchen 17 und 18 sowie die Verwendung nach Anspruch 22 gelöst. Speziellere Ausführungsformen und andere Aspekte der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der weiteren Ansprüche.According to the invention, it has now been found that the above-mentioned main object can be achieved by providing the method according to claim 1, in which a substrate coated with (preferably fixed) noble metal nanoparticles is contacted with a noble metal salt solution and localized by UV irradiation of certain predetermined areas and controlled enlargement of the nanoparticles in these areas is initiated. The above-mentioned further objects are achieved by providing the nanoparticle assemblies and nanostructured substrate surfaces according to claims 17 and 18 and the Use according to claim 22 solved. More specific embodiments and other aspects of the present invention are the subject of the further claims.
Beschreibung der ErfindungDescription of the invention
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur räumlich aufgelösten Vergrößerung von Edelmetall-Nanopartikeln, die auf einem Substrat vorliegen, umfassend die folgenden Schritte:
- a) Bereitstellung eines mit Edelmetall-Nanopartikeln beschichteten Substrats,
- b) gegebenenfalls Funktionalisierung des Substrats mit einem Agens, welches die Haftung der Edelmetall-Nanopartikel an dem Substrat unterstützt,
- c) Kontaktierung des Substrats mit einer Edelmetallsalzlösung,
- d) UV-Bestrahlung des Substrats in Kontakt mit der Edelmetallsalzlösung, wodurch eine Reduktion des Edelmetallsalzes und eine stromlose Abscheidung von elementarem Edelmetall auf den Edelmetall-Nanopartikeln und entsprechendes Wachstum der Edelmetall-Nanopartikel in den bestrahlten Bereichen des Substrats veranlasst wird,
- e) gegebenenfalls Verwendung einer Maske, um ein lokalisiertes Wachstum der Edelmetall-Nanopartikel in vorbestimmten Bereichen des Substrats zu veranlassen.
- a) providing a substrate coated with noble metal nanoparticles,
- b) optionally functionalizing the substrate with an agent which promotes adhesion of the noble metal nanoparticles to the substrate,
- c) contacting the substrate with a noble metal salt solution,
- d) UV irradiation of the substrate in contact with the noble metal salt solution, thereby causing reduction of the noble metal salt and electroless deposition of elemental noble metal on the noble metal nanoparticles and corresponding growth of the noble metal nanoparticles in the irradiated areas of the substrate,
- e) optionally using a mask to cause localized growth of the noble metal nanoparticles in predetermined areas of the substrate.
Die Bereitstellung eines mit Edelmetall-Nanopartikeln beschichteten Substrats im obigen Schritt a) kann grundsätzlich mit allen im Stand der Technik bekannten Verfahren erfolgen. Beispielsweise kann eine Edelmetallkolloid-Schicht auf die Substratoberfläche aufgebracht werden (vgl.
Das erfindungsgemäß verwendete Substratmaterial ist grundsätzlich nicht besonders beschränkt und kann jegliches Material umfassen, solange es unter den Bedingungen des erfindungsgemäßen Verfahrens beständig ist und die stattfindenden Reaktionen nicht beeinträchtigt oder stört. Das Substrat kann beispielsweise aus Glas, SiO2, Silicium, Metallen (mit oder ohne passivierte(n) Oberflächen), Halbleitermaterialien, z. B. GaAs, GaP, GaInP, AlGaAs, (gegebenenfalls dotierten) Metalloxiden, z. B. ZnO, TiO2, Kohlenstoff (Graphit, Diamant), Polymeren etc. und Kompositmaterialien davon ausgewählt sein. Für einige Anwendungen sind transparente Substrate wie Glas oder ITO auf Glas bevorzugt.The substrate material used in the invention is basically not particularly limited and may include any material as long as it is stable under the conditions of the process of the present invention and does not interfere with or interfere with the reactions taking place. The substrate may be, for example, glass, SiO 2 , silicon, metals (with or without passivated surfaces), semiconductor materials, e.g. GaAs, GaP, GaInP, AlGaAs, (optionally doped) metal oxides, e.g. ZnO, TiO 2 , carbon (graphite, diamond), polymers, etc., and composite materials thereof. For some applications, transparent substrates such as glass or ITO on glass are preferred.
Das Edelmetall der Nanopartikel ist ebenfalls nicht besonders beschränkt und kann jedes im Stand der Technik für solche Nanopartikel bekannte Edelmetall oder Mischungen bzw. Komposite von mehreren Edelmetallen (Hybridpartikel) oder Mischungen eines Edelmetalls mit einem anderen Metall umfassen. Vorzugsweise ist das Edelmetall aus der Gruppe aus Au, Pt, Pd, Ag oder Mischungen/Komposite dieser Metalle ausgewählt und besonders bevorzugt handelt es sich um Gold.Also, the noble metal of the nanoparticles is not particularly limited and may include any noble metal known in the art for such nanoparticles, or composites of plural noble metals (hybrid particles) or mixtures of a noble metal with another metal. Preferably, the noble metal is selected from the group consisting of Au, Pt, Pd, Ag or mixtures / composites of these metals and most preferably is gold.
Die ursprünglichen Nanopartikel haben typischerweise Durchmesser im Bereich von 1 nm bis 100 nm, vorzugsweise von 4 nm to 30 nm. Die Interpartikeldistanzen können nach Wunsch über einen breiten Bereich variiert werden, beispielsweise in einem Bereich von 20 to 1000 nm, typischerweise im Bereich von 30 bis 250 nm.The original nanoparticles typically have diameters in the range of 1 nm to 100 nm, preferably 4 nm to 30 nm. The interparticle distances can be varied over a wide range, for example, in a range of 20 to 1000 nm, typically in the range of 30 up to 250 nm.
Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es wichtig, dass eine gute Haftung der Edelmetall-Nanopartikel auf der Substratoberfläche gewährleistet ist. Zur Verbesserung der Haftung kann daher das Substrat erforderlichenfalls nach der Aufbringung der Nanopartikel, jedoch vor deren Vergrößerung, mit einem Agens behandelt werden, welches die Haftung der Nanopartikel unterstützt. Insbesondere bei Verwendung einer mit Gold-Nanopartikeln beschichteten Substratoberfläche aus Glas oder Siliciumdioxid, aber auch bei Si-, ZnO-, TiO2-, GaAs-Oberflächen und ähnlichen Oberflächen ist es bevorzugt, das Substrat mit einem Agens zu behandeln, welches die Haftung der Gold-Nanopartikel unterstützt. Dabei handelt es sich vorzugsweise um ein Silan, insbesondere aus der Gruppe ausgewählt, welche aus 3-Aminopropyltriethoxysilan (APS), 3-Mercaptopropyltriethoxysilan (MPS), N-[3-(Trimethoxysilyl)propyl)ethylendiamin, 3-[2-(2-Aminoethylamino)ethylamino]propyltrimethoxysilan, 3-Aminopropyldimethylmethoxysilan, 3-Aminopropyl)-tris(trimethylsiloxy)silan und 3-Mercaptopropyltrimethoxysilan besteht.For carrying out the method according to the invention, it is important that good adhesion of the noble metal nanoparticles to the substrate surface is ensured. To improve the adhesion, therefore, the substrate may, if necessary, after the application of the nanoparticles, but before their enlargement, be treated with an agent which supports the adhesion of the nanoparticles. In particular, when using a coated with gold nanoparticles substrate surface of glass or silica, but also in Si, ZnO, TiO 2 , GaAs surfaces and similar surfaces, it is preferable to treat the substrate with an agent which the adhesion of the Supported gold nanoparticles. It is preferably a silane, in particular selected from the group consisting of 3-aminopropyltriethoxysilane (APS), 3-mercaptopropyltriethoxysilane (MPS), N- [3- (trimethoxysilyl) propyl) ethylenediamine, 3- [2- (2 -Aminoethylamino) ethylamino] propyltrimethoxysilane, 3-aminopropyldimethylmethoxysilane, 3-aminopropyl) tris (trimethylsiloxy) silane and 3-mercaptopropyltrimethoxysilane.
Bei der Edelmetallsalzlösung, die in Schritt c) mit der Substratoberfläche in Kontakt gebracht wird, kann es sich grundsätzlich um jede Metallsalzlösung handeln, die zur UV-induzierten stromlosen Abscheidung des gewünschten Edelmetalls auf den Edelmetall-Nanopartikeln geeignet ist. In einer bevorzugten Ausführungsform handelt es sich dabei um eine wässrige Metallsalzlösung, der eine organische Verbindung zugesetzt wurde, welche bei bzw. nach UV-Bestrahlung organische Radikale bildet, die als Reduktionsmittel für die Edelmetallionen dienen. Vorzugsweise ist diese organische Verbindung aus der Gruppe aus Aldehyden, Ketonen oder Alkoholen, insbesondere C1-C10-Alkoholen, ausgewählt. Besonders bevorzugt ist der C1-C10-Alkohol aus Methanol, Ethanol, Propanol, Butanol und Ethylenglycol ausgewählt. Der Anteil der organischen Verbindung kann zur Variation der Geschwindigkeit und des Ausmaßes der Reduktion vom Fachmann unschwer durch Routineversuche eingestellt werden. Typischerweise wird das Volumenverhältnis von wässriger Metallsalzlösung und organischer Verbindung in einem Bereich von 100:1 bis 1:2, bevorzugter 10:1 bis 1:1, z. B. 3:1 oder 1:1, liegen.In the noble metal salt solution, which in step c) brought into contact with the substrate surface In principle, it can be any metal salt solution which is suitable for UV-induced electroless deposition of the desired noble metal on the noble metal nanoparticles. In a preferred embodiment, this is an aqueous metal salt solution to which an organic compound has been added, which forms organic radicals during or after UV irradiation, which serve as a reducing agent for the noble metal ions. This organic compound is preferably selected from the group consisting of aldehydes, ketones or alcohols, in particular C 1 -C 10 -alcohols. More preferably, the C 1 -C 10 alcohol is selected from methanol, ethanol, propanol, butanol and ethylene glycol. The proportion of the organic compound may be readily adjusted by a person skilled in the art to vary the rate and extent of reduction by routine experimentation. Typically, the volume ratio of aqueous metal salt solution to organic compound will range from 100: 1 to 1: 2, more preferably 10: 1 to 1: 1, e.g. B. 3: 1 or 1: 1, lie.
In einer speziellen Ausführungsform ist die Edelmetallsalzlösung eine Goldsalzlösung, vorzugsweise eine HAuCl4-Lösung.In a specific embodiment, the noble metal salt solution is a gold salt solution, preferably a HAuCl 4 solution.
Die Dauer der UV-Bestrahlung kann in Abhängigkeit von dem Ausmaß der gewünschten Nanopartikelvergrößerung und den jeweiligen Substratparametern variieren und eine geeignete Bestrahlungsdauer kann vom Fachmann unschwer mit Routineversuchen eingestellt werden. Typischerweise wird die UV-Bestrahlung für eine Dauer im Bereich von 1 bis 60 Minuten, vorzugsweise 1 bis 15 Minuten, und bei einer Wellenlänge im Bereich von 200 bis 600 nm, vorzugsweise 200 bis 400 nm, durchgeführt.The duration of UV irradiation may vary depending on the extent of nanoparticle enlargement desired and the particular substrate parameters, and a suitable irradiation time may readily be set by a person skilled in the art with routine experimentation. Typically, the UV irradiation is carried out for a duration in the range of 1 to 60 minutes, preferably 1 to 15 minutes, and at a wavelength in the range of 200 to 600 nm, preferably 200 to 400 nm.
Vorzugsweise wird das erfindungsgemäße Verfahren so durchgeführt, dass die Bedingungen der UV-Bestrahlung für mindestens zwei. verschiedene Bereiche des Substrats variiert werden, sodass auf dem Substrat mindestens zwei verschiedene Bereiche mit unterschiedlichen mittleren Durchmessern der Edelmetall-Nanopartikel erzeugt werden. Diese Variation der Bedingungen der UV-Bestrahlung ist oder umfasst beispielsweise eine Variation der Bestrahlungsdauer.Preferably, the method according to the invention is carried out such that the conditions of the UV irradiation for at least two. different regions of the substrate are varied so that at least two different regions with different average diameters of the noble metal nanoparticles are produced on the substrate. This variation of the conditions of UV irradiation is or includes, for example, a variation of the irradiation time.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird das erfindungsgemäße Verfahren unter Verwendung einer Maske (Schritt e)) durchgeführt, um ein lokalisiertes Wachstum der Edelmetall-Nanopartikel in vorbestimmten Bereichen des Substrats zu veranlassen.In a preferred embodiment, the method of the invention is performed using a mask (step e)) to cause localized growth of the noble metal nanoparticles in predetermined regions of the substrate.
In einer spezielleren Ausführungsform weist die Maske Strukturen auf, die unter geeigneten Bestrahlungsbedingungen eine Beugung des eingestrahlten UV-Lichts erlauben, und das Verfahren wird unter solchen Bedingungen, insbesondere einer geeigneten Wellenlänge, durchgeführt, dass bei der Bestrahlung ein Diffraktionsmuster oder Helligkeitsmuster auf der Substratoberfläche gebildet wird und das Wachstum der Edelmetall-Nanopartikel selektiv in den stärker bestrahlten Bereichen des Diffraktionsmusters oder Helligkeitsmusters veranlasst wird.In a more specific embodiment, the mask has structures which allow diffraction of the irradiated UV light under suitable irradiation conditions, and the method is carried out under such conditions, in particular a suitable wavelength, that a diffraction pattern or pattern of brightness is formed on the substrate surface during the irradiation and the growth of noble metal nanoparticles is selectively induced in the more irradiated areas of the diffraction pattern or pattern of brightness.
Diese Strukturen können beispielsweise eine oder mehrere Lochblenden mit einem kleinem Lochdurchmesser, vorzugsweise < 100 μm, bevorzugter < 10 μm, andere Beugungsgitter, Beugungskanten, periodische Muster oder Gradienten wie graduelle Graufilter umfassen. Die Lochblenden können beispielsweise eine kreisförmige, elliptische, rechteckige oder dreieckige Form aufweisen.These structures may include, for example, one or more pinhole apertures having a small hole diameter, preferably <100 μm, more preferably <10 μm, other diffraction gratings, diffraction edges, periodic patterns or gradients such as gradual gray filters. The pinhole diaphragms may, for example, have a circular, elliptical, rectangular or triangular shape.
Erfindungsgemäß ist es besonders bevorzugt, dass die Lochblende(n) einen kreisförmigen Durchmesser hat/haben, so dass bei der Bestrahlung ein Diffraktionsmuster von konzentrischen Ringen auf der Substratoberfläche gebildet wird und die erzeugten verschiedenen Bereiche mit unterschiedlichen mittleren Durchmessern der Edelmetall-Nanopartikel ebenfalls ein Muster konzentrischer Ringe bilden.According to the present invention, it is particularly preferable that the pinhole (n) has a circular diameter such that a diffraction pattern of concentric rings is formed on the substrate surface during irradiation, and the generated different regions having different mean diameters of the noble metal nanoparticles also become a pattern form concentric rings.
Die vorliegende Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Herstellung einer nanostrukturierten Substratoberfläche, umfassend die Schritte a)–e) nach einem der Ansprüche 1–12 sowie ferner:
- f) Unterwerfen des Substrats mit der in den Schritten a)–e) nach einem der Ansprüche 1–12 entstandenen Edelmetall-Nanopartikelanordnung mindestens einem Ätzschritt, bei dem die Edelmetall-Nanopartikel als Ätzmaske wirken, womit durch selektive Ätzung in vorbestimmten Bereichen des Substrats unter Beibehaltung des Musters der Edelmetall-Nanopartikelanordnung eine gewünschte Reliefgestaltung der Substratoberfläche erzeugt wird. Bevorzugt wird dabei ein an das Substrat angepasstes Trockenätz-Verfahren verwendet. Im Falle von SiO2 z. B. ein „Reactive Ion” Ätzschritt unter Verwendung eines fluorhaltigen Ätzgases. Geeignete Verfahren sind beispielsweise in
Lohmüller et al. (2008), NANO LEITERS, Bd. 8, Nr. 5, 1429–1433
- f) subjecting the substrate to the in step a) -e) according to any one of claims 1-12 resulting noble metal nanoparticle assembly at least one etching step in which the noble metal nanoparticles act as an etch mask, thus selective etching in predetermined areas of the substrate while maintaining the pattern of the noble metal nanoparticle assembly, a desired relief design of the substrate surface is generated. In this case, a dry etching method adapted to the substrate is preferably used. In the case of SiO 2 z. B. a "Reactive Ion" etching step using a fluorine-containing etching gas. Suitable methods are, for example, in
Lohmüller et al. (2008), NANO LEITERS, Vol. 8, No. 5, 1429-1433
Spezieller umfasst dieses Verfahren die Schritte a)–e) nach Anspruch 13 sowie ferner:
- f) Unterwerfen des Substrats mit der in den Schritten a)–e) nach Anspruch 13 entstandenen Edelmetall-Nanopartikelanordnung, bei der verschiedene Bereiche mit unterschied lichen mittleren Durchmessern der Edelmetall-Nanopartikel ein Muster konzentrischer Ringe bilden, mindestens einem Ätzschritt, bei dem die Edelmetall-Nanopartikel als Ätzmaske wirken, womit durch selektive Ätzung in vorbestimmten Bereichen des Substrats unter Beibehaltung des Musters von konzentrischen Kreisen eine Reliefgestaltung der Substratoberfläche erzeugt wird, die der einer Fresnel-Linse entspricht.
- f) subjecting the substrate to the resulting in steps a) -e) according to claim 13 noble metal nanoparticle assembly in which different areas with different union average diameters of the noble metal nanoparticles form a pattern of concentric rings, at least one etching step in which the noble metal -Nanopartikel act as an etching mask, whereby by selective etching in predetermined areas of the substrate while maintaining the pattern of concentric circles, a relief design of the substrate surface is generated, which corresponds to a Fresnel lens.
Weitere Gegenstände der Erfindung sind die mit den obigen Verfahren erhältlichen nanostrukturierten Substratoberflächen und Anordnungen von Edelmetall-Nanopartikeln auf einem Substrat.Further objects of the invention are the nanostructured substrate surfaces obtainable by the above methods and arrangements of noble metal nanoparticles on a substrate.
Diese Anordnungen umfassen typischerweise zwei oder mehr verschiedene Bereiche von Edelmetall-Nanopartikeln mit einem mittleren Durchmesser im Bereich von 5–200 nm, vorzugsweise 5–20 nm, und einer mittleren Beabstandung im Bereich von weniger als 1 μm, vorzugsweise von 30 bis 250 nm, wobei in den verschiedenen Bereichen jeweils Edelmetall-Nanopartikel mit einem vorgegebenen unterschiedlichen mittleren Durchmesser vorliegen.These arrangements typically comprise two or more distinct regions of noble metal nanoparticles having a mean diameter in the range of 5-200 nm, preferably 5-20 nm, and an average spacing in the range of less than 1 μm, preferably 30 to 250 nm, wherein in each of the different regions noble metal nanoparticles having a predetermined different average diameter are present.
In einer speziellen und bevorzugten Ausführungsform sind die Anordnungen dadurch gekennzeichnet, dass die verschiedenen Bereiche mit unterschiedlichen mittleren Durchmessern der Edelmetall-Nanopartikel ein oder mehrere geometrische(s) Muster bilden, welche(s) den durch Beugung von Strahlung an kreisförmigen, elliptischen, rechteckigen, dreieckigen Lochblenden, Kanten oder anderen periodisch angeordneten Mustern sowie Gradienten wie graduellen Graufiltern entstehenden Diffraktionsmustern oder Helligkeitsmustern entspricht/entsprechen.In a specific and preferred embodiment, the arrangements are characterized in that the different regions with different mean diameters of the noble metal nanoparticles form one or more geometric patterns which are formed by diffraction of radiation at circular, elliptical, rectangular, triangular pinholes, edges or other periodically arranged patterns as well as gradients such as gradual gray filters resulting diffraction patterns or brightness patterns corresponds / correspond.
Besonders bevorzugt bilden die verschiedenen Bereiche ein Muster konzentrischer Ringe.Particularly preferably, the various regions form a pattern of concentric rings.
Die mit den obigen erfindungsgemäßen Verfahren erhältlichen nanostrukturierten Substratoberflächen und Anordnungen von Edelmetall-Nanopartikeln auf einem Substrat bilden aufgrund der Möglichkeit zur Feineinstellung der Partikelgröße mit hoher räumlicher Auflösung und präziser Darstellung von geometrischen Mustern mit mehreren, scharf getrennten Bereichen unterschiedlicher Partikelgröße vorteilhafte Anwendungsmöglichkeiten auf unterschiedlichsten Fachgebieten.The nanostructured substrate surfaces and arrangements of noble metal nanoparticles obtainable with the above inventive methods on a substrate form advantageous applications in a wide variety of fields due to the possibility of finely adjusting the particle size with high spatial resolution and precise representation of geometric patterns with several, sharply separated areas of different particle size.
Dementsprechend betrifft ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung auch die Verwendung dieser nanostrukturierten Substratoberflächen und Anordnungen auf den Gebieten der Biochiptechnik, Bildgebungstechnik, Elektronik, Informationsverarbeitung, Spektroskopie, Sensortechnik, Optik, Lithographie.Accordingly, another aspect of the present invention also relates to the use of these nanostructured substrate surfaces and devices in the fields of biochip technology, imaging technology, electronics, information processing, spectroscopy, sensor technology, optics, lithography.
Eine solche Verwendung ist beispielweise deren Einsatz zur Herstellung optischer und elektronischer Vorrichtungen. In einer spezielleren Ausführungsform sind die Vorrichtungen aus der Gruppe ausgewählt, welche eine Maske, insbesondere Lithographie- oder Photomaske, einen Biochip, einen Sensor, eine optische Vorrichtung, insbesondere eine Fresnel-Linse, ein optisches Gitter, ein Mikrolinsenarray oder einen Transistor umfasst.Such a use is, for example, their use for the production of optical and electronic devices. In a more specific embodiment, the devices are selected from the group consisting of a mask, in particular a lithographic or photomask, a biochip, a sensor, an optical device, in particular a Fresnel lens, an optical grating, a microlens array or a transistor.
Ein weiterer Gegenstand der Erfindung betrifft auch die Vorrichtungen selbst, welche solche nanostrukturierten Substratoberflächen oder Anordnungen umfassen. In einer spezielleren Ausführungsform handelt es sich bei diesen Vorrichtungen um eine Maske, insbesondere Lithographie- oder Photomaske, einen Biochip, einen Sensor, eine optische Vorrichtung, insbesondere eine Fresnel-Linse, ein optisches Gitter, ein Mikrolinsenarray oder einen Transistor.A further subject of the invention also relates to the devices themselves, which comprise such nanostructured substrate surfaces or arrangements. In a more specific embodiment, these devices are a mask, in particular a lithographic or photomask, a biochip, a sensor, an optical device, in particular a Fresnel lens, an optical grating, a microlens array or a transistor.
Kurzbeschreibung der Figuren:Brief description of the figures:
Die folgenden Beispiele dienen zur näheren Erläuterung der vorliegenden Erfindung, ohne diese jedoch darauf zu beschränken.The following examples are given to illustrate the present invention without, however, limiting it thereto.
BEISPIEL 1EXAMPLE 1
Lokalisiertes Größenwachstum von Gold-Nanopartikeln ohne BeugungsmusterLocalized size growth of gold nanoparticles without diffraction patterns
Das zu belichtende Sample bestehend aus SiO2, dessen Oberfläche Gold-Nanopartikel mit einem mittleren Durchmesser von ca. 9 nm aufwies (
BEISPIEL 2EXAMPLE 2
Erzeugung von ringförmigen Fresnel-BeugungsstrukturenGeneration of annular Fresnel diffraction structures
Fresnelbeugung tritt auf, wenn folgende Ungleichung erfüllt ist: (F = Fresnel-Zahl, a = Blendenradius, L = Strecke Blende-Schirm, λ = Wellenlänge)Fresnel diffraction occurs when the following inequality is satisfied: (F = Fresnel number, a = aperture radius, L = aperture diaphragm screen, λ = wavelength)
Diese Bedingung ist bei allen folgenden Experimenten erfüllt, es handelt sich also immer um Fresnelbeugung und nicht um Fraunhoferbeugung.This condition is fulfilled in all subsequent experiments, so it is always Fresnel diffraction and not Fraunhoferbeugung.
Das Beugungsintegral lässt sich nach Anwendung der Fresnelnäherung nicht analytisch lösen, sondern nur numerisch. Das entstehende Beugungsmuster reagiert dabei extrem empfindlich auf kleinste Änderungen des Abstandes oder des Blendendurchmessers. Da eine Realisierung von konstanten Bedingungen (völlig planares Sample, völlig planare Maske, keine „Wellenbildung” der Lösung,) nur mit größerem Aufwand zu realisieren ist, wurde für die nachfolgenden Versuchsanordnungen und Bilder ein einfacherer (qualitativer) Ansatz gewählt.The diffraction integral can not be solved analytically after application of the Fresnel approximation, but only numerically. The resulting diffraction pattern reacts extremely sensitive to the smallest changes in the distance or the aperture diameter. Since a realization of constant conditions (completely planar sample, completely planar mask, no "wave formation" of the solution,) can be realized only with great effort, a simpler (qualitative) approach was chosen for the subsequent experimental arrangements and images.
Das zu belichtende Sample wurde in ein kleines Gefäß gegeben. In das Gefäß wurde eine Lösung aus 1,5 ml 0,25% Goldsalzlösung (HAuCl4) und 0,5 ml Ethanol gegeben. Die Menge der Lösung war dabei so bemessen, dass das Sample von einem ca. 1 mm hohen Flüssigkeitsfilm bedeckt ist. Als Maske wurde Aluminiumfolie verwendet, die mit Löchern zwischen 0,6 mm und 2 mm perforiert ist, verwendet. Diese Maske wurde ca. 1,1 mm oberhalb des Samples angebracht. Anschließend wurde mit UV-Licht 10 oder 30 Minuten lang belichtet.The sample to be exposed was placed in a small vessel. To the vessel was added a solution of 1.5 ml of 0.25% gold salt solution (HAuCl 4 ) and 0.5 ml of ethanol. The amount of the solution was so dimensioned that the sample is covered by a ca. 1 mm high liquid film. The mask used was aluminum foil perforated with holes between 0.6 mm and 2 mm. This mask was placed about 1.1 mm above the sample. It was then exposed to UV light for 10 or 30 minutes.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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